Eksploracja i dominacja. Nuklearny napęd kosmiczny według NASA i DARPA [KOMENTARZ]

17 kwietnia 2021, 02:30
draco-04122021
Ilustracja: DARPA [darpa.mil]

Początek kwietnia 2021 przyniósł kilka rozstrzygnięć w amerykańskich zamówieniach publicznych zakładających przyspieszony rozwój cieplnego (termicznego) napędu nuklearnego dla zastosowań kosmicznych (Nuclear Thermal Propulsion, NTP - czego oczywiście nie należy utożsamiać z "termojądrowym"). Kontrakty przyznano zarówno w prowadzonym pod auspicjami Pentagonu programie kompletnych systemów nośnych wyposażonych w reaktory (projekt DARPA funkcjonujący pod dźwięcznym akronimem DRACO), jak również w ramach osobnej inicjatywy NASA, dotyczącej budowy silnika nuklearnego dla zastosowań eksploracyjnych (ogłoszonej jeszcze w 2017 roku jako część platformy badawczo-rozwojowej Game Changing Development Program).

Era kosmiczna, era atomu - światy styczne czy od siebie odległe?

Amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w obszarze Obronności (DARPA) wzbudziła powszechne zainteresowanie kwietniowymi komunikatami o przyznaniu trzech osobnych, zalążkowych kontraktów w rządowym programie rozwojowym DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations). Jego przebieg dotyczy działającego na wyobraźnię pomysłu na kosmiczne zastosowanie reaktorów nuklearnych - w roli "serc" silników napędzających systemy transportu nowej generacji. Co ciekawe, w tym konkretnym przypadku nie wskazuje się na ich znaczenie dla eksploracji międzyplanetarnej, a raczej - walor operacyjny i szybkiego reagowania, łączony ze spodziewanym skokowym wzrostem technologicznego potencjału kontroli nad "strategicznymi punktami przyciągania" w domenie kosmicznej.

Przechodząc do rzeczy - popularna DARPA zleciła ostatnio trzy zalążkowe zamówienia w ramach "namaszczonego" przez Pentagon programu DRACO: firmom Lockheed Martin, Blue Origin oraz General Atomics. Chodzi o konkretne, częściowo komplementarne zadania dotyczące przebiegu pierwszej fazy rozwoju technologii - zarówno samego układu reaktora dla napędu NTP (Nuclear Thermal Propulsion), jak i projektu ogólnego demonstratora statku kosmicznego wykorzystującego taki rodzaj silnika. Cały program stawia sobie za cel sprawdzenie działania proponowanej technologii cieplnego napędu nuklearnego w przestrzeni kosmicznej - według zakładanego planu, jeszcze przed końcem 2025 roku.

Dalej pojawiają się już hipotetyczne przewidywania co do możliwości i użyteczności takiego systemu w amerykańskiej służbie - twierdzi się na przykład, że technologia zapewni rządowi i siłom zbrojnym USA zwiększone zdolności szybkiego reagowania i przemieszczania się na dystansach pozaorbitalnych, sięgających domyślnie Księżyca. "Manewrowość w domenie kosmicznej jest tradycyjnie ograniczona, ponieważ obecne elektryczne i chemiczne układy napędowe mają wady przejawiające się bądź to w niekorzystnej relacji ciągu do masy, bądź zbyt niskiej wydajności czynnika roboczego (w tej kolejności)" - podkreślono w oficjalnym uzasadnieniu realizacji programu DRACO.

Jak podkreślają sami przedstawiciele DARPA, system NTP daje szansę na przełamanie dysproporcji względem innych wymiarów operacyjnych (kosmos ich zdaniem jest tym ostatnim z pięciu uznawanych, gdzie zdolności przemieszczania, szybkiego reagowania i dynamicznej kontroli są technicznie niezapewnione). Sposobem ma być wypracowanie napędów kosmicznych o korzystniejszych wartościach ciągu względem masy (atut silników chemicznych, działających na zasadzie spalania czynnika roboczego) przy wysokiej wydajności materiału pędnego (charakterystycznej z kolei dla silników elektrycznych - jonowych bądź plazmowych, znanych z bardzo wysokich wartości impulsu właściwego).

W takim "scenariuszu", statek kosmiczny programu DRACO miałby pełnić już w niedalekiej przyszłości rolę czynnika przewagi operacyjnej w przestrzeni Ziemia-Księżyc (do dyspozycji Pentagonu i Sił Kosmicznych USA). Nieoficjalnie spekuluje się także o innych, znacznie bardziej ofensywnych zastosowaniach - jednak trudno je nawet traktować na tym etapie rysu koncepcyjnego jako możliwości choćby hipotetyczne.

Sztuka operacyjna a mobilność w kosmosie

Operacyjne ambicje względem wdrożenia silników NTP potwierdzają komentarze przedstawicieli DARPA do wyłonionych niedawno trzech ofert. „Technologia NTP, którą staramy się opracować i zademonstrować w ramach programu DRACO, ma stanowić podstawę przyszłych operacji w kosmosie” - stwierdził wprost mjr Nathan Greiner z USAF, kierownik programu DRACO. „Zespoły wykonawców zademonstrowały nam możliwości opracowania i dostarczenia zaawansowanych układów reaktorów, napędów i statków kosmicznych” - wskazał dalej w kontekście udzielonych zamówień. „Ta pierwsza faza programu DRACO to wysiłek mający na celu zmniejszenie ryzyka, co umożliwi nam szybkie zdążanie w kierunku sprawdzenia systemu na orbicie w późniejszych fazach” - dodał Greiner.

Faza 1 programu ma potrwać w sumie 18 miesięcy i składać się z dwóch ścieżek. Wątek "A" będzie obejmował opracowanie i zaprezentowanie wstępnego projektu reaktora NTP oraz koncepcji samego podsystemu napędowego. Wątek "B" natomiast obejmie wypracowanie koncepcji całego statku kosmicznego "do zastosowań operacyjnych" (Operational System) oraz osobnej koncepcji praktycznego demonstratora (Demonstration System). DS ma być przy tym naturalnie powiązany z propozycją OS, choć w przypadku demonstratora na pierwszym planie ma być możliwości sprawdzenia działania podsystemu napędowego NTP przygotowanego w wątku A.

Według tak zarysowanego przebiegu wydzielono odrębne zadania poszczególnych komercyjnych wykonawców. Koncern General Atomics będzie w tym przypadku samodzielnym autorem prac związanych z koncepcją rozwoju lekkiego reaktora na potrzeby silnika kosmicznego (wątek A) - za kwotę 22 mln USD. Z kolei Blue Origin (w kontrakcie opiewającym na 2,5 mln USD) i Lockheed Martin (stawka 2,9 mln USD) w wątku B niezależnie zajmą się opracowaniem konkurencyjnych koncepcji całych statków kosmicznych w wariantach OS i DS.

image
Ilustracja: USNC-Tech [usnc.com]

Warto przy tym zauważyć, że wskazane zamówienia nie wyczerpują zakresu pierwszej fazy programu - konkretne kontrakty technologiczne w programie DRACO były już zawierane wcześniej. Przykładowo, pod koniec września ubiegłego roku DARPA przyznała w tym programie warte 14 mln USD zlecenie firmie Gryphon Technologies. Umowa dotyczy wsparcia opracowania składników i wizji samego serca układu napędowego  - reaktora napędowego pracującego w oparciu o nisko wzbogacony uran (High-assay low-enriched uranium - HALEU). Warto zauważyć, że taki wkład paliwowy uznawany jest za najkorzystniejszy w konstrukcjach reaktorów wysokotemperaturowych.

Koniec końców oczekuje się, że faza 1. programu DRACO wyznaczy jednoznaczny kierunek, względem którego będzie podążać przebieg kolejnych faz: szczegółowego projektowania, produkcji przemysłowej prototypu i jego demonstracji na orbicie. Wszystkie z nich mają być konsekwentnie organizowane przez DARPA na zasadzie kolejnych serii zamówień.

Ważniejszy prom niż atom

Inicjatywy rozwoju systemów napędowych NTP nie są przy tym oczywiście niczym nowym (ani nawet specjalnie nowatorskim) - znaczące postępy w ich badaniu i rozwoju czyniono szczególnie w latach 1955-1972 w Stanach Zjednoczonych (do czasu zamknięcia programu NASA NERVA), jak również później w Związku Radzieckim (silnik RD-0410). Motywacja jednak znacząco osłabła po amerykańskiej rezygnacji z planów marsjańskich i wygranej w wyścigu księżycowym - silniki nuklearne musiały wówczas ustąpić miejsca programowi wahadłowców kosmicznych.

image
Schemat termicznego silnika nuklearnego programu NERVA. Ilustracja: NASA/domena publiczna

Powrót do prac nad koncepcją nastąpił relatywnie niedawno - blisko końca drugiej dekady XXI wieku. Sama NASA także wznowiła zlecanie zewnętrznych analiz koncepcyjnych i oceny możliwości stworzenia nuklearnego silnika cieplnego - w pierwszym od dawna wydzielonym budżecie agencji na cele rozwoju napędów nuklearnych (rok rozliczeniowy 2019) pojawiło się ok. 125 mln USD. Działania skupiono zwłaszcza w jednej z odnóg projektowych inicjatywy Game Changing Development Program. Zaangażowano do niej m.in. dobrze znane NASA spółki związane z amerykańską branżą energii jądrowej, wytwarzające przede wszystkim wkłady paliwowe do reaktorów różnego przeznaczenia (m.in. koncern USNC).

Ponadto swój udział w odnowionym projekcie NASA kontynuuje od 2017 roku także inny dostawca komponentów reaktorów jądrowych, firma BWX Technologies. Na początku kwietnia br. spółka podała zresztą, że otrzymała w tym programie nowy kontrakt od NASA (właściwie, poprzez spółkę zależną BWXT Advanced Technologies) - opiewający na 9,4 mln USD, z terminem realizacji na najbliższy rok. Na jego mocy wykonawca ma zaprojektować odpowiedni wkład paliwowy oraz koncepcję inżynieryjną procesu. Zakres ten ma obejmować produkcję i dostarczenie odpowiednio przygotowanego granulatu paliwowego dla koncepcyjnej konstrukcji NASA (zgodnie z deklaracjami, przedłożonej jako wynik innego zamówienia, zrealizowanego przez USNC).

W ostatnim czasie (na przestrzeni 2020 r.) BWXT prowadziło badania dotyczące kilku możliwych konfiguracji reaktorów i wariantów paliwa zdolnych do obsługi kosmicznego napędu jądrowego. Dwa z projektów skupiały się na poziomach mocy odpowiadających potrzebom demonstratora technologii. Opracowano też trzeci projekt, który proponuje bardziej zaawansowaną technologię i wyższe poziomy mocy - jest przy tym zapowiadane, że będzie gotowy na czas pod kątem realizacji pierwszych misji na Marsa.

Epilog

Układy napędowe NTP mogą działać na zasadzie wtłaczania czynnika roboczego (najczęściej wodoru) przez rozgrzany rdzeń reaktora. Atomy uranu rozpadają się wewnątrz rdzenia i uwalniają ciepło w reakcji rozszczepienia. Taki proces podgrzewa czynnik roboczy i przekształca go w gorący gaz, który jest następnie z dużą prędkością wyrzucany przez dyszę - wytwarzając ciąg.

Według istniejących wyników badań, systemy napędowe NTP mają potencjał zapewniania nawet dwukrotnie wyższego impulsu właściwego w porównaniu z najwydajniejszymi napędami chemicznymi. Przykładowo, silnik rakietowy napędzany ciekłym wodorem w obecności utleniacza jest w stanie wygenerować impuls właściwy równy 450 s [sekund] - przy ponad 900 s oczekiwanych od termicznego silnika nuklearnego.

Wiązane z tym nadzieje na rewolucję w ekstraorbitalnym transporcie kosmicznym wciąż studzą jednak znane ograniczenia, poziom skomplikowania konstrukcji i koszty odpowiednio wytrzymałych rozwiązań materiałowych w tym obszarze. Niemniej jest coraz więcej zadeklarowanych chętnych do ich rozwijania - także poza Stanami Zjednoczonymi. Tym pozostałym projektom warto przyjrzeć się osobno, przy kolejnej nadarzającej się okazji.


image
Z oferty Sklepu Defence24.pl

 

KomentarzeLiczba komentarzy: 51
Alfret
niedziela, 18 kwietnia 2021, 19:55

"Koncern General Atomics będzie w tym przypadku samodzielnym autorem prac związanych z koncepcją rozwoju lekkiego reaktora na potrzeby silnika kosmicznego (wątek A) - za kwotę 22 mln USD. Z kolei Blue Origin (w kontrakcie opiewającym na 2,5 mln USD) i Lockheed Martin (stawka 2,9 mln USD) w wątku B niezależnie zajmą się opracowaniem konkurencyjnych koncepcji całych statków kosmicznych w wariantach OS i DS." NIE, NO ZWYCZAJNIE KWOTY PORAZAJA! Swoja droga bardziej ekologicznie byloby zastosowac elektromagnetyczny naped niz zasmiecac kosmos odpadami nuklearnymi w postaci radioaktywnego wodoru z elementami produktow uranu. I nalezy zastanowic sie czy kosmici nie naloza na USA podatku weglowego od izotopow!!! "...do gaziu i do gaziu, od tego gaziu to juz mnie glowa boli..." Aha jakby ktos zasugerowal moja orientacje polityczna, to dodam ze niezaleznie od tego jakie panstwo bedzie zasmiecalo kosmos takimi radioaktywnymi odpadami, moze spotkac sie z retorsjami blizej nieokreslonych sil. Nikt nie lubi jak mu ktos sie zalatwia do talerza.

AB
poniedziałek, 19 kwietnia 2021, 13:14

Ale wiesz, że w naszym układzie planetarnym, pracuje już jeden gigantyczny reaktor termojądrowy. Na dodatek bez żadnych osłon, zalewając cała okolicę falami różnorakiego promieniowania. Nazywa się on Słońce.

mar
niedziela, 2 maja 2021, 23:47

Czy Słońce zaśmieca nasza orbitę plutonem, uranem oraz innymi śmieciami których okres połowicznego rozpadu idzie w setki tysięcy lat?? Jedyne zagrożenie z jego strony to uszkodzenia satelitów i efekt uboczny w postaci zorzy polarnej. Nikt nie zastanawia się co będzie w przypadku eksplozji rakiety nośnej jeszcze w atmosferze. Nie ma ani słowa o tym zagrożeniu.

niedziela, 27 czerwca 2021, 02:03

jeśli wybuchnie to jak najbardziej "zaśmieci"

solidarność80PL
niedziela, 18 kwietnia 2021, 16:04

Starship jest demonstratorem nowych wersji rakiet kosmicznych - obecnie z napędem chemicznym, a w niedalekiej przyszłości z napędem atomowym. Ba – tak się buduje firmy „kosmiczne” np. w kooperacji E.Musk – NASA z dopłatami rządu USA (bez nich by splajtował), który w sposób pośredni uczestniczy w produkcji „seryjnej” statków kosmicznych. Co z Polskim samochodem elektrycznym ? – w 1981 roku mówiliśmy „jak PZPR by dostała Saharę, to za chwilę zabraknie piasku na niej” – smutne, ale prawdziwe.

AB
poniedziałek, 19 kwietnia 2021, 13:16

Bez NASA Musk by nie splajtował. Najwyżej by rozwijał nieco wolniej (więcej lotów Falcon 1 na przykład).

niedziela, 18 kwietnia 2021, 22:35

Nie PZPR tylko komunizm w ogólności. W ZSRR też wyszystkiego brakowało i trwał permamentny kryzys...

Rhotax
sobota, 24 kwietnia 2021, 15:35

W ZSRR czekalo się tylko 7 lat na samochód a w PRL ledwo 3 .

niedziela, 27 czerwca 2021, 02:04

a dodaj jeszcze jaki to był samochód :)

Kris
niedziela, 18 kwietnia 2021, 14:29

W 60 latach był projekt ORION , też kosmiczne silniki nuklearne ale na trochę innych zasadach zbudowane.

paracetamol
poniedziałek, 26 kwietnia 2021, 18:00

Orion nie posiadałby silnika jądrowego, tylko działo wurzucające bomby jądrowe, które detonowane za osłoną miałyby wywierać siłę popychającą. Koncepcja ta testowana była za pomocą ładunków konwekcjonach i wystraczała do pokonania siły ciężkości. Taki rodzaj napędu nie nadaje się jednak do wykorzystania w warunkach ziemskich, gdyż wymagałaby wykonania setek detonacji jądrowych w atmosferze. Poza atmosferą mógłby się sprawdzić.

ty i ja
sobota, 17 kwietnia 2021, 22:12

jahuu z lodu zrob slonce i twoje pytania dostana odpowiedz a jak to odpalic to jest najciekawsze

Eytu
sobota, 17 kwietnia 2021, 21:23

FAjne, tylko to jest silnik bardzo nietrwały. Szybko skończy się materiał pędny - wodór. Lepiej skonstruować silnik nuklearny który będzie napędzał satelitę samym ciepłem - ciśnieniem promieniowania - promieniowanie podczerowne. Ciąg takiego silnika jest niestety bardzo mały, ale może lecieć w kosmosie przez dziesiątki lat. Już to opisywałem kiedyś na S24 w komentarzach. CZyli zbudować specjalną "matrioszkę" - pompy ciepła które będą zabierały ciepło w postaci promieni 360x360 i transportowały je do dyszy - na przykład metalowe promiennika . Trzeba jednakże znaleźć sposób aby od wysokiej temperatury "żelazko" nie parowało atomów metalu . być może jakaś warstwa ceramiczna na obudowę ?

fdsa
poniedziałek, 19 kwietnia 2021, 11:58

W Układzie Słonecznym statki latają w kółko tam i z powrotem po orbitach. Wystarczy na trasie kursowania takiego statku porozmieszczać kostki lodu opakowane folią aluminiową. Można to zrealizować przy pomocy janowców. Jak statek będzie chciał paliwko, to pobierze sobie taka kostkę, po czym elektroliza wody, woda do reaktora, tlen do oddychania. Fajna sprawa.

Eytu
poniedziałek, 19 kwietnia 2021, 17:31

@fdsa Mam jeszcze lepszy pomysł. Na Orbicie Ziemi rozmieścić dwie wielkie wstęgi stalowego łańcucha ( lina zerwie się od róznicy temperatur) . W każdym punkcie libracyjnym statek kosmiczny z nawijarką szpulową. Jeden łańcuch - L3, L4 L 1 L5 - L3. Drugi łańcuch L3 L4 L2 L5 - L3. Ruch będzie powodowały silniki w na poszczególnych punktach.

Adam S.
niedziela, 18 kwietnia 2021, 21:03

Bardzo fajny silnik, bardzo duży impuls właściwy, ale bardzo mała moc. Można użyć do jakiegoś próbnika typu Voyagera: rozpędzić wstępnie klasycznym silnikiem, a potem niech sobie przez dziesiątki lat przyspiesza paroma niutonami. I do najbliższe gwiazdy dotrze za 10 tysięcy lat, a nie za milion :)

paracetamol
poniedziałek, 26 kwietnia 2021, 18:06

Chyba pomyliłeś NTP z silnikiem jonowym. NTP ma ogromną moc i był planowany do wykorzystania w górnych stopniach rakiety Saturn V, jak również jako silniki do rozwijania dużych prędkości w przestrzeni kosmicznej. Opróćz NTP można zastosować reaktor do wytwarzania energii elektrycznej, a tą do zasilania silnika jonowego, ale to inny rodzaj napędu.

Alfret
niedziela, 18 kwietnia 2021, 19:58

Juz cos takiego wyprodukowano i wyslano w kosmos w latach 70tych XXw. Niechcacy odchylono w ten sposob orbite od zakladanej, poniewaz okazalo sie ze ciag jest boczny. Te pojazdy nazywaly sie Voyager.

niedziela, 27 czerwca 2021, 02:05

bzdury

Eytu
niedziela, 18 kwietnia 2021, 23:49

@Alfret Voyager 1 i Voyager 2 napędzane są hydrazyną.

Tweets Space24